荷載結構模型和地層結構模型計算實例北京地鐵十號線八達嶺高速站明挖暗挖結構設計

/1.3結構統(tǒng)一技術要求1.3.1.地下鐵道結構中主要構件的設計運用年限為100年，主要構件是指結構的主體結構（梁、板、墻、柱）及基礎結構。相應結構牢靠度理論的設計基準期均采納50年。1.3.2.地下鐵道結構中永久構件的平安等級為一級，相應的結構構件重要性系數(shù)γ0取1.1；臨時構件的平安等級為三級，相應的結構構件重要性系數(shù)γ0取0.9；在人防荷載或地震荷載組合下，相應的結構構件重要性系數(shù)γ0取1.0。1.3.3.地下鐵道結構的地震作用按8度設防，地下結構框架柱的抗震等級暫按三級，梁、板、墻等構件暫按四級。待“北京地鐵十號線場地地震平安評估報告”完成后，依其為設計依據(jù)。1.3.4.地下結構中露天或和無侵蝕性的水或土壤干脆接觸的迎土面混凝土構件的環(huán)境類別為二類，非迎土面及內部混凝土構件的環(huán)境類別為一類，兩者均視為一般環(huán)境條件。1.3.5.結構構件在永久荷載和基本荷載組合作用下，應按荷載短期效應組合并考慮長期效應組合的影響進行結構構件裂縫驗算。二類環(huán)境混凝土構件的裂縫寬度（迎土面）應不大于0.2mm，一類環(huán)境（非迎土面及內部混凝土構件）混凝土構件的裂縫寬度均應不大于0.3mm，混凝土管片內外側的裂縫寬度應不大于0.2mm。當計及地震、人防或其他偶然荷載作用時，可不驗算結構的裂縫寬度。1.3.6.地下鐵道結構中主要構件的耐火等級為一級。1.3.7.在規(guī)定的設防部位，地下結構按5級人防的抗力標準進行驗算。1.3.8.當?shù)叵陆Y構處于有侵蝕地段時，應實行抗侵蝕措施，混凝土抗侵蝕系數(shù)不得低于0.8。2.工程概況八達嶺高速站結構設計形式為兩端明挖、中間暗挖車站，其中兩端明挖部分為地下雙層三跨島式車站，車站中部過健德橋部分采納分別暗挖單洞通過，車站主體、風道基坑圍護結構均采納鉆孔灌注樁，基坑內設置橫向鋼支撐，出入口明挖部分采納型鋼圍檁，內設鋼支撐，車站主體、風道、出入口的明挖部分采納現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱形框架結構，東北、西北兩出入口跨路部分采納暗挖法施工。4.施工方法的論證及方案比選6.1結構型式暗挖部分采納分別式單洞馬蹄形斷面，復合襯砌；車站明挖部分采納雙層三跨兩柱矩形斷面。暗挖風道及通道采納割圓拱直墻斷面，復合襯砌明挖通道及風道采納矩形斷面。6.2車站縱向柱距的選擇明挖部分縱向柱距選擇主要為8m。暗挖單洞不設柱。6.3圍護結構和支撐體系的設計本站明挖段基坑深度17m?；硬杉{φ800，間距1.2m鉆孔樁，樁長21m，基坑下部設置3道水平內支撐，水平支撐采納直徑600mm、800mm的鋼管，基坑縱向每3m設置一道，以I45H型鋼作為腰梁，并輔以其他加固措施。6.4明挖段初期支護和二次襯砌的連接形式從結構受力的角度來看，初支和二襯做成疊合板，圍護樁和二襯做成疊合墻，結構可以做到最經(jīng)濟，但是防水問題卻難以解決，若在二者之間鋪設防水板，則可達到較好的防水效果，因此，初期支護和二次襯砌的連接采納重合式。6.5結構尺寸擬定.車站雙層明挖段主要構件截面尺寸如下：（mm）部位頂縱梁頂板中縱梁邊墻底板底縱梁中層板鋼管柱直徑間距尺寸mm1200x1800700600x7006008001400x180040080080006.5.2.暗挖單層段主體結構主要構件截面尺寸如下：（mm）=1\*GB2⑴初期支護暗挖部分方案中采納大管棚超前支護、小導管注漿預加固地層、超前支護。噴層厚度30cm，主體1榀/0.5米格柵。=2\*GB2⑵二次襯砌和內部結構拱部和邊墻厚度40cm，仰拱厚度為變厚度50~100cm。7變形縫的設置車站主體東西端明挖段和中部暗挖段結構相接部位各設一道變形縫，主體和東南風道、西南風道相接部位各設一道變形縫，車站主體和四個出入口通道相接部位設變形縫。9工程材料9.1邊樁及圍護樁采納混凝土強度等級為C30，抗?jié)B等級為S8。9.2二次襯砌頂板、底板、邊墻混凝土強度等級為C30，混凝土抗?jié)B等級為S8。中板、站臺板混凝土強度等級為C30。鋼管柱混凝土強度等級為C40。9.3初期支護：C20早強網(wǎng)噴混凝土9.4鋼筋：初期支護格柵：HRB335、HPB235鋼筋網(wǎng)：HPB235鋼結構構件及預埋鐵件：A3鋼縱向連接筋：HRB335模筑襯砌鋼筋：HRB335、HPB2359.5防水層：土工布+防水板10明挖結構設計10.1基坑圍護結構計算圍護結構及支撐形式的比選圍護結構型式特點經(jīng)濟性備注鉆孔灌注樁1.整體剛度大，就地澆注施工，對環(huán)境影響小。2.適合于懦弱地層和建筑設施密集的城市繁華地帶的深基坑。3.施工簡潔、施工技術簡潔、速度快。4.主體結構內襯需加厚。造價相對較低地下連續(xù)墻1、適合于懦弱地層和建筑設施密集的城市繁華地帶的深基坑。2、和車站主體結構結合時連接便利，內襯較薄；但由于結構不能全包防水，防水效果不好。3、要求較高的施工技術。造價相對較高人工挖孔樁1、施工便利，但雖單價低，由于基坑較深，樁徑較大，引起圬工量增加。2.抗?jié)B性差，不適合地下水較高的不穩(wěn)定土層。3.需降水，且施工風險較大。4、主體結構內襯需加厚，因此綜合造價較高。造價相對較高從表中分析并結合本工程特點，本方案圍護結構舉薦鉆孔灌注樁，本站明挖段基坑深度17m?；硬杉{φ800，間距1.2m鉆孔樁，樁長21m，基坑下部設置3道水平內支撐，水平支撐采納直徑600mm、800mm的鋼管，基坑縱向每3m設置一道，以I45H型鋼作為腰梁，并輔以其他加固措施。荷載和組合(1)荷載結構設計的荷載按《地鐵設計規(guī)范》（GB50157-2003）中有關荷載的規(guī)定進行取值，并考慮施工過程中發(fā)生的改變。計算時對結構整體或構件可能出現(xiàn)的最不利荷載進行組合計算。地下結構的結構設計荷載類型及名稱按表2.10.2.1采納。荷載類型荷載名稱永久荷載結構自重地層壓力隧道上部和破壞棱體范圍的設施及建筑物壓力靜水壓力及浮力混凝土收縮及徐變作用預加應力設備重量地基下沉影響力側向地層抗力及地基反力可變荷載基本可變荷載地面車輛荷載及其沖擊力地面車輛荷載引起的側向土壓力地下鐵道車輛荷載及其沖擊力地鐵的離心力及搖擺力人群荷載其他可變荷載溫度影響力施工荷載偶然荷載8度地震荷載、5級人防荷載其中：人群荷載：站臺、站廳、樓梯、車站管理人員用房等部位的人群荷載按4kPa的活荷載標準值計，另需計及在300×300mm范圍內的20kN的集中荷載；設備荷載：設備區(qū)一般可按8kPa進行設計，但對重型設備需依據(jù)設備的實際重量、動力影響、安裝運輸途徑等確定其大小和范圍，進行結構計算。結構自重：鋼筋混凝土重度γ=25kN/m3。覆土荷載：覆土重度γ=20kN/m3。浮力：按抗浮設防水位的水浮力計，設防水位高程為50m。側向水土荷載：采納朗肯土壓力理論，施工階段外側取主動土壓力，運用階段取靜止土壓力。可變荷載：地面超載：按汽-超20計算。掛-120驗算。施工超載：q=20kN/m2。車輛荷載：軸重141kN。地震荷載：按8度地震力計算。人防荷載：按5級抗力地面空氣沖擊波超壓△pm=0.1Mpa(2)荷載組合工況1)恒載+活載2)恒載+部分活載+地震荷載3)恒載+部分活載+人防荷載組合狀況荷載1234自重11.351.21.2覆土11.351.21.2側土壓力11.351.21.2側水壓力11.351.21.2浮力11.351.21.2設備荷載11.351.21.2人群荷載11.4地面超載11.4地震力1人防荷載1備注用于結構構件抗裂檢算用于結構構件強度驗算用于結構構件強度驗算用于結構構件強度驗算計算模型和計算簡圖=1\*GB2⑴施工階段計算程序采納同濟高校曙光計算程序，計算模式及結果如下：1）八達嶺站車站主體基坑計算基坑開挖深度為15.31m，采納800@1200灌注樁圍護結構，樁長為20.31m，樁頂標高為0m。計算時考慮地面超載56kPa，如圖2.10.1.3－1。圖2.10.1.3－1共設3道支撐，見表2.10.1.3－1中心標高（m）剛度（MN/m2）預加軸力（kN/m）013.01-6.520.29-1120.292）地質條件場地地質條件和計算參數(shù)見表1。地下水位標高為-15.31m。表2.10.1.3－2土層層底標高(m)層厚(m)重度(kN/m3)()c(kPa)滲透系數(shù)(m/d)壓縮模量(MPa)m(kN/m4)kmax(kN/m3)粉土填土-0.810.8115.7000粉土-8.167.3519.6302217200粉細砂-12.914.7520.130015000圓礫卵石-14.241.3320.645036000粉質粘土-17.112.8720213910620粘土-19.011.918.715538300中粗砂-23.824.8120.3350210003）工況工況編號工況類型深度(m)支撐剛度(MN/m2)支撐編號預加軸力(kN/m)1加撐013.0112開挖73加撐6.520.2924開挖11.55加撐1120.2936開挖15.31工況簡圖如下：4）計算=2\*GB2⑵運用階段計算結果及分析（1）施工階段由計算可知：地面沉降最大值為15mm，圍護樁及支撐體系內力分布、樁體變形合理。（2）運用階段經(jīng)計算，迎水面裂縫寬度≤0.2mm，背水面裂縫寬度≤0.3mm，結構構件內力分布合理。（3）地基承載力驗算本車站結構底板位于堅實土層上，經(jīng)檢算在正常運用階段基底最大應力小于設計地基承載力（經(jīng)修正后），滿意要求。（4）結構抗浮驗算結構抗浮驗算計入結構自重和覆土重量，在不考慮結構側壁和四周土體的摩阻力，明挖標準段抗浮平安系數(shù)Kf=1.1＞1.05，滿意抗浮要求。11暗挖結構設計11.2初期支護結構設計11.2.1.初期支護設計參數(shù)和協(xié)助施工措施初期支護采納φ108大管棚護頂，φ32小導管注漿加固地層通過健德橋樁，初期支護厚度0.3m，格柵間距1榀／0.5m。11.2.2.荷載確定及組合(1)荷載初期支護結構設計的荷載按《地鐵設計規(guī)范》（GB50157-2003）中有關荷載的規(guī)定進行取值，并考慮施工過程中發(fā)生的改變。暗挖段的結構設計荷載類型及名稱按表2.10.2.1采納。荷載類型荷載名稱永久荷載結構自重地層壓力隧道上部和破壞棱體范圍的設施及建筑物壓力靜水壓力及浮力混凝土收縮及徐變作用預加應力設備重量地基下沉影響力側向地層抗力及地基反力可變荷載基本可變荷載地面車輛荷載及其沖擊力地面車輛荷載引起的側向土壓力地下鐵道車輛荷載及其沖擊力地鐵的離心力及搖擺力人群荷載其他可變荷載溫度影響力施工荷載偶然荷載8度地震荷載、5級人防荷載其中：結構自重：鋼筋混凝土重度γ=25kN/m3。覆土荷載：覆土重度γ=20kN/m3。浮力：按抗浮設防水位的水浮力計，設防水位高程為50m。側向水土荷載：采納朗肯土壓力理論，施工階段外側取主動土壓力，運用階段取靜止土壓力。可變荷載：地面超載：按汽-超20計算。掛-120驗算。施工超載：q=20kN/m2。(2)荷載組合工況1)恒載+活載組合狀況荷載1234自重11.351.21.2覆土11.351.21.2側土壓力11.351.21.2側水壓力11.351.21.2浮力11.351.21.2設備荷載11.351.21.2人群荷載11.4地面超載11.4地震力1人防荷載1備注用于結構構件抗裂檢算用于結構構件強度驗算用于結構構件強度驗算用于結構構件強度驗算11.2.3.計算模式和計算簡圖計算程序采納同濟高校曙光計算程序，計算內容包括地面沉降、地層應力，支護結構內力等。計算模式及計算結果見圖2.11.2.3-1、2.11.2.3-2、2.11.2.3-2施工階段計算模型圖2.11.2.3-1施工階段結構、地層應力圖2.11.2.3-2施工階段地面沉降圖2.11.2.3-211.2.4.計算結構及分析由計算可知：地面沉降最大值為17mm，支護參數(shù)、施工步序選擇合理。11.3二次襯砌結構設計11.3.1.結構尺寸的擬定二次襯砌采納五心圓，拱頂和邊墻斷面厚度0.4m，仰拱厚度0.5m。11.3.2.荷載確定及組合(1)荷載結構設計的荷載按《地鐵設計規(guī)范》（GB50157-2003）中有關荷載的規(guī)定進行取值，并考慮施工過程中發(fā)生的改變。計算時對結構整體或構件可能出現(xiàn)的最不利荷載進行組合計算。地下結構的結構設計荷載類型及名稱按表2.10.2.1采納。荷載類型荷載名稱永久荷載結構自重地層壓力隧道上部和破壞棱體范圍的設施及建筑物壓力靜水壓力及浮力混凝土收縮及徐變作用預加應力設備重量地基下沉影響力側向地層抗力及地基反力可變荷載基本可變荷載地面車輛荷載及其沖擊力地面車輛荷載引起的側向土壓力地下鐵道車輛荷載及其沖擊力地鐵的離心力及搖擺力人群荷載其他可變荷載溫度影響力施工荷載偶然荷載8度地震荷載、5級人防荷載其中：人群荷載：站臺、站廳、樓梯、車站管理人員用房等部位的人群荷載按4kPa的活荷載標準值計，另需計及在300×300mm范圍內的20kN的集中荷載；設備荷載：設備區(qū)一般可按8kPa進行設計，但對重型設備需依據(jù)設備的實際重量、動力影響、安裝運輸途徑等確定其大小和范圍，進行結構計算。結構自重：鋼筋混凝土重度γ=25kN/m3。覆土荷載：覆土重度γ=20kN/m3。浮力：按抗浮設防水位的水浮力計，設防水位高程為50m。側向水土荷載：采納朗肯土壓力理論，施工階段外側取主動土壓力，運用階段取靜止土壓力?？勺兒奢d：地面超載：按汽-